Метрология
УПРАВЛЕНИЕ, СЕРТИФИКАЦИЯ И ИННОВАТИКА
Часть I. МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ
Методические указания и задания к контрольной работе для студентов специальности 140101 заочной формы обучения «Тепловые электрические станции»
Красноярск
УДК 389 + 006 + 658.562(07)
Управление, сертификация и инноватика. Часть I. Метрология, стандартизация и сертификация: Метод. Указания и задания к контрольной работе для студентов специальности 140101 заочной формы обучения – «Тепловые электрические станции
ВВЕДЕНИЕ
Цель изучения дисциплины состоит в получении студентами основных научно-практических знаний в области метрологии, стандартизации и сертификации, необходимых для решения задач обеспечения единства измерений и контроля качества продукции, процессов и услуг на современном уровне развития производства. Программа ориентирована на то, чтобы независимо от предметной области и специфики отдельных отраслей студенты должны знать основные метрологические правила, требования и нормы, законодательные и нормативные правовые акты, методические материалы по стандартизации, сертификации, метрологии и управлению качеством продукции; соблюдать их в своей практической деятельности и уметь применять полученные знания для повышения качества выпускаемой продукции и обеспечения ее конкурентоспособности на мировом рынке.
Изучение дисциплины базируется на знаниях физики, теоретических основ теплотехники, теории вероятностей и математической статистики, электротехники.
Программа разработана для заочной формы обучения на основе Государственного образовательного стандарта для направления 140100, специальности 140101 «Тепловые электрические станции». Изучают дисциплину в соответствии с методическими указаниями, составленными к каждой теме, и графиком, представленным в табл. 1.
Таблица 1
График учебного процесса и самостоятельной работы студентов по дисциплине «Управление, сертификация и инноватика», часть I «Метрология, стандартизация и сертификация»
| Вид учебной работы | Всего часов | Семестр |
| Общая трудоемкость дисциплины | ||
| Аудиторные занятия: | ||
| Лекции | ||
| лабораторные работы (ЛР) | ||
| Самостоятельная работа: | ||
| изучение теоретического курса | ||
| контрольные работы | ||
| Вид итогового контроля | зачет |
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Метрология
1.1.1. Взаимосвязь метрологии, стандартизации и сертификации [1, с. 11 – 13]
Роль метрологии, стандартизации и сертификации в повышении качества, безопасности и конкурентоспособности продукции (услуг), укрепление международных, региональных и национальных связей и их значение в развитии науки, техники и технологии. Определение метрологии как науки. история развития метрологии, стандартизации и сертификации
Стандартизация, метрология и сертификация являются составной частью комплексного подхода к системе качества продукции, работ и услуг. Проблема качества актуальна для всех стран независимо от зрелости их рыночной экономики. Долголетний опыт борьбы за качество в нашей стране и за рубежом показал, что эта проблема может быть решена только на основе четкой системы постоянной действующих мероприятий. В стране стал энергично развиваться переход к практике оценки и подтверждения соответствия, так как сертификация является одной из процедур при оценке соответствия. Роль стандартизации как важнейшего звена в системе управления техническим уровнем и качеством продукции и услуг на всех этапах научных разработок, проектирования, производства, эксплуатации и утилизации имеет первостепенное значение. Стандарты, устанавливая требования к качеству и надежности, методам контроля и испытаний изделий, создают необходимое единство, без которого невозможен дальнейший научно-технический прогресс.
Подтверждением качества является сертификат, выданный органом, не зависящим ни от производителя, ни от потребителя – третьей стороной. Этот сертификат оформляется на основании положительных результатов испытаний на соответствие требованиям стандартов. Результаты испытаний, в свою очередь, основываются на достоверных результатах измерений во время испытаний, единство которых обеспечивается и гарантируется Российской системой измерений, основой которой является Государственная метрологическая служба России.
Таким образом, система измерений является объективным инструментом для обеспечения и оценки качества продукции и услуг через стандарты, метрологическое обеспечение производства и испытаний. Только совокупность деятельности всех трех видов – стандартизации, метрологии и оценки соответствия – может обеспечить решение задачи обеспечения надлежащего качества объектов.
С 1 января 2001 г. на территории России и стран СНГ взамен ГОСТ 16263-70 вводятся рекомендации РМГ 29-99, согласованные с международными стандартами ИСО 31(0-13) и ИСО 1000. В соответствии с этими документами метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
Метрология как наука и область практической деятельности возникла в древние времена. На всем пути развития человеческого общества измерения были основой отношений людей между собой, с окружающими предметами, природой. На определенном этапе своего развития измерения стали причиной возникновения метрологии. Долгое время метрология была в основном описательной наукой о различных мерах и соотношениях между ними. В процессе развития общества роль измерений возрастала, и с конца прошлого века благодаря прогрессу физики метрология поднялась на качественно новый уровень. С развитием науки и техники требовались новые измерения и новые единицы измерения, что стимулировало в свою очередь совершенствование фундаментальной и прикладной метрологии. Развитие естественных наук привело к появлению все новых средств измерений (СИ), а они, в свою очередь, стимулировали развитие наук, становясь все более мощным средством исследования. От качества СИ зависит эффективность выполнения измерений. Повышение точности измерений приводит к повышению качества продукции, экономии энергетических и тепловых ресурсов, а также сырья и материалов. Таким образом, измерения являются важнейшим инструментом познания объектов и явлений окружающего мира и играют огромную роль в развитии народного хозяйства.
Современная метрология включает три составляющие: законодательную метрологию, теоретическую и прикладную метрологию.
В теоретической метрологии разрабатываются фундаментальные основы этой науки.
Законодательная метрология – это раздел метрологии, включающий комплексы взаимосвязанных и взаимообусловленных общих правил, а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроле со стороны государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений.
Прикладные разделы включают в себя экспериментальные вопросы области измерений и законодательную метрологию по областям измерений.
1.1.2. Основные термины и понятия метрологии [1, с. 13 – 58, 122 – 125]
Основные понятия, связанные с объектами измерения: свойство, физическая величина, количественные и качественные проявления свойств объектов материального мира. единица физической величины, основной принцип измерения, результат измерения, погрешность результата измерения. Классификация измерений. Классификация и свойства средств измерений.
Все объекты окружающего мира характеризуются своими свойствами. Свойство – категория качественная. Для количественного описания различных свойств вводится понятие величины. Величины разделяют на два вида: реальные и идеальные. Идеальные величины главным образом относятся к математике и являются обобщением конкретных реальных понятий. Они вычисляются тем или иным способом. Реальные величины можно разделить на физические и нефизические.
Основным объектом измерения в метрологии являются физические величины (ФВ). Физические величины делятся на измеряемые и оцениваемые и группируются по следующим признакам:
· по видам явлений ФВ - вещественные, энергетические, характеризующие протекание процессов во времени;
· по принадлежности к различным группам физических процессов - механические, тепловые, электрические и др.;
· по степени условной независимости от других величин - основные, производные и дополнительные;
· по наличию размерности -размерные и безразмерные.
Измеряемые ФВ имеют качественную и количественную характеристики. Значение физической величины Q – это оценка ее размера в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Его получают в результате ее измерения или вычисления в соответствии с основным уравнением измерения Q=q[Q], связывающим между собой значение ФВ Q, числовое значение q и выбранную для измерения единицу [Q].
Между свойствами объектов, характеризуемыми ФВ, существует определенная законами природы взаимосвязь. Уравнения связи между величинами – уравнения, отражающие законы физики, в которых под буквенными символами понимаются ФВ. Уравнение связи между числовыми значениями физических величин – уравнения, в которых под буквенными символами понимают числовые значения величин, соответствующие выбранным единицам.
Совокупность основных и производных единиц ФВ, образованных в соответствии с принятыми принципами, называется системой единиц физических величин. Система СИ – единственная система единиц ФВ, которая принята и используется в большинстве стран мира.
Измерение - экспериментальный процесс, при котором, сравнивают неизвестное значение измеряемой величины Q с принятой единицей измерений [Q] и определяют, какое число раз q эта единица содержится в измеряемой величине.
Виды измерений определяются физическим характером измеряемой величины, требуемой точностью измерения, необходимой скоростью измерения, условиями и режимом измерений и т.д. В метрологии существует множество видов измерений:
· по способу получения информации измеряемой величины измерения разделяют на прямые, косвенные, совокупные и совместные;
· по характеру изменения измеряемой величины в процессе измерений бывают динамические и статические измерения;
· по числу измерений величины - однократные и многократные измерения;
· по характеристике точности измерения - равноточные и неравноточные;
· в зависимости от метрологического назначения - технические и метрологические;
· по характеру результата измерений - абсолютные и относительные;
· по методу измерений – непосредственной оценки, сравнения с мерой.
В основе любых измерений лежат различные физические явления, определяющие принцип измерения. Совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с используемым принципом называется методом измерений.
Методы измерений классифицируют по различным признакам. Наиболее разработанной является классификация по совокупности приемов использования принципов и средств измерений. По этой классификации различают метод непосредственной оценки и методы сравнения. Группа методов сравнения с мерой включает в себя следующие методы: дифференциальный, нулевой, замещения, совпадений.
Метод измерений реализуется в средстве измерений (СИ) – техническом средстве, предназначенном для измерений, имеющем нормированные метрологические характеристики (МХ), воспроизводящим и (или) хранящим единицу ФВ. Средства измерений является обобщенным понятием, объединяющим устройства, обладающие одним из двух признаков: вырабатывают сигнал, несущий информацию о размере (значении) измеряемой величины; воспроизводят величину заданного (известного) размера.
Метрологические характеристики – это характеристики свойств СИ, которые оказывают влияние на результат измерений и его погрешности и предназначены для оценки технического уровня и качества СИ, а также определения результатов измерений и расчетной оценки характеристик инструментальной составляющей погрешности измерений.
Средства измерений, используемые в различных областях науки и техники, чрезвычайно многообразны. Однако для этого множества можно выделить некоторые общие признаки, присущие всем СИ независимо от области применения:
· по характеру использования СИ делятся на: лабораторные и технические;
· по режиму работы – динамические и статические;
· по виду выходных сигналов – аналоговые, цифровые и аналогово-цифровые;
· по степени универсальности – специализированные, универсальные;
· по степени автоматизации – неавтоматизированные, автоматизированные автоматические;
· по роли в процессе измерения и выполняемым функциям средства измерений могут быть элементарными (меры, устройства сравнения и измерительные преобразователи) и комплексными (измерительные приборы, измерительные установки, измерительные системы);
· по виду преобразования сигнала – прямого действия, сравнения, интегрирующие;
· по виду приема – передачи информации – одноканальные и многоканальные;
· по поверочной схеме – рабочие, образцовые и рабочие эталоны;
· по измеряемым величинам – механические, гидравлические, пневматические, акустические, электрические, электронные, прочие и комбинированные.
1.1.3. Погрешности измерений [1, с.58 – 122]
Истинное и действительное значение измеряемой величины. Понятие о погрешности. Классификация погрешностей. Основные принципы оценивания погрешностей. Понятие о неопределенности результата измерений.
При измерении физических величин независимо от точности средств измерений, правильности методики и тщательности выполнения измерений результаты измерений отличаются от истинного значения измеряемой величины, т.е. неизбежны погрешности измерений.
Трудность определения погрешности состоит в том, что истинное значение измеряемой величины в принципе неизвестно, поэтому всегда имеют дело с оценкой погрешности измерения с некоторой доверительной вероятностью. При этом оценка погрешности чаще всего проводится применительно к определению абсолютного ее значения, выраженного в единицах измеряемой величины с помощью формулы: 
= Х – ХД, где ХД – действительное значение величины. Погрешности СИ могут быть классифицированы по ряду признаков, в частности:
· по форме числового выражения - абсолютные, относительные и приведенные;
· по зависимости абсолютной погрешности от значений измеряемой величины: аддитивные, мультипликативные и нелинейные;
· по закономерностям проявления - систематические, случайные, прогрессирующие и грубые (промахи).
· по причине возникновения - методические, инструментальные, субъективные и погрешности вычислений;
· по влиянию условий проведения измерений - основные и дополнительные погрешности;
· по характеру изменения физической величины - статические и динамические.
В настоящее время понятие «систематическая погрешность» несколько изменилось. Систематическая погрешность считается специфической, «вырожденной» случайной величиной, обладающей некоторыми, но не всеми свойствами случайной величины, изучаемой в теории вероятностей и математической статистике. Систематическая погрешность представляет собой определенную функцию влияющих факторов, состав которых зависит от физических, конструктивных и технологических особенностей СИ, условий их применения, а также от индивидуальных качеств наблюдателя.
При проведении измерений стараются в максимальной степени исключить или учесть влияние систематических погрешностей. Это может быть достигнуто следующими путями: устранением источников погрешностей до начала измерений; определением поправок и внесением их в результат измерения; оценкой границ неисключенных систематических погрешностей.
Принципиальное различие между систематической и случайной погрешностями в отношении их влияния на результат измерений заключается в том, что систематическая погрешность делает измеренное значение неверным, а случайная погрешность – недостоверным, внося элемент неопределенности. Поэтому указанные погрешности должны оцениваться различным образом: систематическую погрешность определяют количественно, и ее влияние учитывают коррекцией измеренного значения; случайную погрешность оценивают статистическими методами теории вероятностей и указывают совместно с результатом измерений.
Чтобы выявить случайную погрешность, необходимо произвести ряд повторных измерений одной и той же величины. Если результат каждого измерения будет отличаться от других результатов, то имеет место случайная погрешность. Полученные при многократных измерениях результаты рассматриваются как случайные величины.
В качестве истинного значения при многократных измерениях n принимается среднее арифметическое значение измеряемой величины m. Мерой рассеяния в окрестности среднего m являетсядисперсия 
2. Чем меньше дисперсия, тем меньше разброс, тем точнее выполнены измерения. Следовательно, дисперсия может служить характеристикой точности проведенных измерений. Для оценки погрешности результата измерений определяют СКО ( ).
Случайные погрешности нельзя исключить полностью, но их влияние может быть уменьшено путем обработки результатов измерений. Для этого должны быть известны вероятностные и статистические характеристики (закон распределения, СКО, доверительная вероятность и доверительный интервал).
1.1.4. Метрологические характеристики средств измерений [1, с.125 – 146]
Общие принципы выбора и нормирования метрологических характеристик средств измерений. Комплексы нормируемых метрологических характеристик. Классы точности средств измерений.
При использовании СИ важно знать степень соответствия информации о измеряемой величине, содержащейся в выходном сигнале, ее истинному значению. С этой целью для каждого СИ вводятся и нормируются определенные метрологические характеристики (МХ).
Метрологические характеристики СИ позволяют:
· определять результаты измерений и рассчитывать оценки характеристик инструментальной составляющей погрешности измерения в реальных условиях применения СИ;
· рассчитывать МХ каналов измерительных систем, состоящих из ряда средств измерений с известными МХ;
· производить оптимальный выбор СИ, обеспечивающих требуемое качество измерений при известных условиях их применения;
· сравнивать СИ различных типов с учетом условий применения.
Перечень нормируемых МХ делится на шесть основных групп:
1. характеристики, предназначенные для определения результатов измерений:
2. характеристики погрешностей средств измерений:
3. Характеристики чувствительности средств измерений к влияющим величинам:
4. Динамические характеристики средств измерений.
5. Характеристики средств измерений, позволяющие учесть их взаимодействие с объектом измерений цифропечатающим устройством и др.
6. Значения неинформативных параметров выходного сигнала средств измерений. К неинформативным параметрам выходного сигнала относятся параметры, не связанные с измеряемой величиной.
На практике наиболее распространены следующие МХ СИ: диапазон измерений; предел измерения; цена деления; чувствительность; порог чувствительности; вариация; функция преобразования; погрешность СИ.
Строгое нормирование метрологических характеристик используется при высокоточных лабораторных измерениях и метрологической аттестации других средств измерений. При технических измерениях, когда не предусмотрено выделение случайных и систематических составляющих, можно пользоваться более грубым нормированием – присвоением СИ определенного класса точности по ГОСТ 8.401-80.
Классом точности называется обобщенная метрологическая характеристика средств измерений, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность, значения которых устанавливают в стандартах на отдельные виды средств измерений.
1.1.5. Основы метрологического обеспечения [1, с.230 – 273]
Понятие метрологического обеспечения единства измерений. Научные, организационные и технические основы метрологического обеспечения контроля качества. Правовые основы обеспечения единства измерений. Основные положения закона РФ об обеспечении единства измерений. Структура и функции метрологической службы предприятия, организации, учреждения, являющихся юридическими лицами.
Метрологическое обеспечение (МО) – это комплекс организационно-технических мероприятий, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений характеристик изделий, технологических процессов и оборудования, необходимых в производстве данного вида.
Основной тенденцией в развитии МО является переход от существовавшей ранее сравнительно узкой задачи обеспечения единства и требуемой точности измерений к принципиально новой задаче обеспечения качества измерений. Метрологическое обеспечение осуществляется практически на всех стадиях создания и изменения состояния продукции или услуги. Так на стадии разработки продукции производится выбор контролируемых параметров, норм точности, допусков, средств измерения, контроля и испытания. При этом МО представляет собой совокупность взаимосвязанных процессов, необходимых для достижения требуемого качества измерений. Такими процессами являются:
· установление рациональной номенклатуры измеряемых параметров и оптимальных норм точности измерений при контроле качества продукции и управления процессами;
· технико-экономическое обоснование и выбор СИ, испытаний и контроля и установление их рациональной номенклатуры;
· стандартизация, унификация и агрегатирование используемой контрольно-измерительной техники;
· разработка, внедрение и аттестация современных методик выполнения измерения, испытаний и контроля (МВИ);
· поверка, метрологическая аттестация и калибровка контрольно-измерительного и испытательного оборудования (КИО), применяемого на предприятии;
· контроль за производством, состоянием, применением и ремонтом КИО, а также за соблюдением метрологических правил и норм на предприятии;
· внедрение международных, государственных и отраслевых стандартов, а также иных нормативных документов Госстандарта;
· проведение метрологической экспертизы проектов нормативной, конструкторской и технологической документации;
· проведение анализа состояния измерений, разработка на его основе и осуществление мероприятий по совершенствованию МО;
· обеспечение подготовки работников соответствующих служб и подразделений предприятия к выполнению контрольно-измерительных операций.
Метрологическое обеспечение имеет четыре основы: научную, организационную, нормативную и техническую. Научной основой МО является метрология. Организационной основой метрологического обеспечения является Государственная метрологическая служба РФ (ГМС), включающая сеть учреждений и организаций, возглавляемых Государственным комитетом Российской Федерации по стандартизации и метрологии (Госстандарт России), деятельность которых направлена на метрологическое обеспечение. Правовую основу метрологического обеспечения составляет Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ), представляющая собой комплекс нормативно-технических документов, устанавливающих единую номенклатуру стандартных взаимоувязанных правил и положений, требований и норм, относящихся к организации и методике оценивания и обеспечения точности измерений. Техническую основу МО обеспечивают системы:
· государственных эталонов единиц ФВ;
· передачи размеров единиц ФВ от эталонов к рабочим СИ;
· разработки, постановки на производство и выпуска рабочих СИ;
· государственных испытаний СИ;
· государственной поверки и калибровки СИ;
· стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов;
· стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов.
Госстандарт осуществляет свою деятельность непосредственно и через находящиеся в его ведении территориальные центры СМ, а также через государственных инспекторов по надзору за государственными стандартами и обеспечению единства измерений.
В ведении Госстандарта России находятся: Государственная метрологическая служба (ГМС), Государственная служба времени и частоты и определения параметров вращения Земли (ГСВЧ); Государственная служба стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов (ГССО); Государственная служба стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов (ГСССД).
В государственных органах управления созданы метрологические службы, которые организуют свою деятельность на основе положений Закона «Об обеспечении единства измерений», а также постановлений Правительства РФ, административных актов субъектов федерации, областей и городов, нормативных документов Государственной системы обеспечения единства измерений и постановлений Госстандарта РФ.
Метрологическая служба создается для научно-технического и организационно-методического руководства работами по МО в соответствии с Положением о МС, которое разрабатывается по правилам, изложенным в ПР 50-732-93. Этот документ определяет структуру МС и ее звеньев, их задачи, обязанности и права.
Метрологическая служба юридических лиц – самостоятельные структурные подразделения, в состав которых могут входить калибровочные и поверочные лаборатории, а также подразделения по ремонту СИ. МС должны быть аккредитованы органами Госстандарта в соответствии с ПР 50.2.013-97.
В соответствии с Законом РФ "Об обеспечении единства измерений" для проверки соблюдения метрологических норм и правил органом ГМС (государственный контроль и надзор) осуществляется государственный метрологический контроль и надзор.
Закон “Об обеспечении единства измерений” устанавливает следующие виды государственного метрологического контроля:
утверждение типа средства измерений;
поверка средств измерений, в том числе эталонов;
лицензирование деятельности юридических и физических лиц на право изготовления, ремонта, продажи и проката средств измерений.
Основными задачами надзора является определение соответствия выпускаемых СИ утвержденному типу; состояния и правильности применения СИ; наличия и правильности применения аттестованных МВИ, а также контроль соблюдения метрологических правил и норм в соответствии с действующими нормативными документами.
В тех сферах деятельности, где государственный метрологический надзор и контроль не являются обязательными, для обеспечения метрологической исправности СИ применяется калибровка.
Метрологическая аттестация – это признание средства измерений (испытаний) узаконенным для применения (с указанием его метрологического назначения и МХ) на основании тщательных исследований метрологических свойств этого средства.
Метрологической аттестации могут подвергаться СИ, не подлежащие государственным испытаниям или утверждению типа органами ГМС, опытные образцы СИ, измерительные приборы, выпускаемые или ввозимые из-за границы в единичных экземплярах или мелкими партиями, измерительные системы и их каналы.
Основными задачами аттестации СИ являются:
определение МХ и установление их соответствия требованиям нормативной документации;
установление перечня МХ, подлежащих контролю при поверке;
опробование методики поверки.
1.1.6. Контрольно-измерительные технологии [6, с.16 – 223]
Общие сведения об измерении температур и температурных шкалах. Средства измерения температуры. Методы и средства измерения давления, расхода и уровня. Измерительные преобразователи и схемы дистанционной передачи. Методы и средства анализа состава газов. Автоматизированные системы контроля и управления сбором данных.
В соответствии с Международной практической температурной шкалой основной температурой является термодинамическая температура, единица которой - Кельвин (К). Для измерения температур применяются контактные и бесконтактные методы. При контактных методах измерения применяются термометры расширения (стеклянные жидкостные, манометрические, биметаллические и дилатометрические), термоэлектрические термометры и термометры сопротивления. Бесконтактные измерения температуры осуществляются пирометрами (квазимонохроматическими, спектрального отношения и полного излучения).
Контактные методы измерения более просты и точны, чем бесконтактные. Но для измерения температуры необходим непосредственный контакт с измеряемой средой и телом. В результате этого может возникать, с одной стороны, искажение температуры среды в месте измерения, с другой, - несоответствие температуры чувствительного элемента и измеряемой среды. Это несоответствие температур или погрешность восприятия чувствительным элементом термометра измеряемого параметра в стационарном режиме имеет место, если происходит теплообмен между термоприемником и измеряемой средой или частями технологического оборудования.
Бесконтактные методы измерения не оказывают никакого влияния на температуру среды или тело. Но зато они сложнее, и их методические погрешности существенно больше, чем при контактных методах. Для оценки погрешности бесконтактных методов измерения, как правило, необходимо знать спектральные характеристики коэффициентов излучения (поглощения) чувствительных элементов пирометров, промежуточных линз, стекол, других материалов или сред, через которые проходит излучение от измеряемой среды к чувствительному элементу.
Серийно выпускаемые термометры и термопреобразователи охватывают диапазон температур от -272 до 2300 и кратковременно даже до 2500 оС. Бесконтактные средства измерения температуры серийно выпускаются на диапазон температур от -50 до 6000 оС.
Кроме основных существует еще ряд методов измерения температуры, не нашедших широкого применения (из-за невысокой точности, трудоемкости или дороговизны). Так в калориметрическом методе температуру газа или жидкости определяют по теплосодержанию; в газодинамическом - по изменению расхода; в методе термокрасок - по изменению цвета специальных красок, наконец, в кварцевых термометрах используется зависимость резонансной частоты пьезоэлектрического кристалла от температуры. Эту частоту можно определить с очень малой погрешностью (порядка 0,01 К) в диапазоне температур от –80 оС до 250 оС. Кварцевые датчики обладают линейной зависимостью, высокой стабильностью и точностью. К недостаткам кварцевых термометров следует отнести высокую дороговизну.
Контроль за протеканием большинства технологических процессов в тепловой и атомной энергетике, металлургии, химии связан с измерением давления или разности давлений газовых и жидких сред. По принципу действия различают следующие виды манометров: жидкостные, грузопоршневые, деформационные, электрические, ионизационные, тепловые. Устройство перечисленных приборов давления разнообразно. Среди них можно выделить пять основных групп общепромышленных измерительных приборов и преобразователей: механические, с дифференциально-трансформаторными преобразователями, с компенсацией магнитных потоков, с силовой компенсацией и с тензопреобразователями.
Манометры и измерительные преобразователи устанавливаются, как правило, вблизи точек измерения в местах, удобных для обслуживания. При несоответствии уровней расположения точек отбора давления и манометров возможно возникновение систематической погрешности, вызванной давлением столба жидкости в импульсной линии. Установка манометров, отбор давления и прокладка импульсных линий регламентируются внутриведомственными нормалями и типовыми чертежами. Эти документы устанавливают, как должны подключаться манометры и измерительные преобразователи к точкам отбора давления в зависимости от рода измеряемой среды, температуры, давления, диаметра трубопровода, степени запыленности, агрессивности, вязкости и других условий, которые оказывают влияние на нормальную работу всей установки для измерения давления.
Расходом называется количество вещества, проходящего в единицу времени через данный технологический трубопровод или через сечение данного технологического участка, канала. Средства измерения расхода вещества называются расходомерами или преобразователями расхода, если они не имеют шкалы. Кроме расходомеров, широко применяются счетчики количества, служащие для измерения количества вещества, прошедшего через счетчик за какой-то промежуток времени. Некоторые приборы обеспечивают одновременное измерение расхода и количества, они называются расходомерами со счетчиками.
Существует большое разнообразие методов измерения расхода и конструктивных разновидностей расходомеров и счетчиков. Наибольшее распространение получили следующие разновидности расходомеров: переменного перепада давления с сужающими устройствами; постоянного перепада давления; тахометрические; электромагнитные; ультразвуковые.
Уровень является одним из важных параметров в ряде технологических процессов, особенно если поддержание уровня связано с условиями безопасной работы оборудования. В зависимости от условий измерения, характера контролируемой среды используются различные методы измерения уровня. Уровень жидкости можно измерять уровнемерами с визуальным отсчетом, а при необходимости дистанционного измерения уровня используются гидростатические, буйковые, поплавковые, емкостные, индуктивные, радиоизотопные, волновые, акустические, термокондуктометрические уровнемеры. Измерение уровня сыпучих тел затруднено в первую очередь тем, что в различных точках емкости или бункера сыпучие материалы могут иметь различные уровни.
Средства измерения, применяемые для анализа состава газов, называются газоанализаторами. Разнообразие используемых в газоанализаторах методов измерения обусловлено обширностью анализируемых компонентов газовых смесей и широким диапазоном изменения их концентраций. Классификация газоанализаторов основывается на физико-химических свойствах, положенных в основу измерения концентрации определяемых компонентов смеси и включает следующие основные группы: механические, тепловые, магнитные, оптические, хроматографические, электрические и масс-спектрометрические. Качество и надежность работы промышленных газоанализаторов в значительной мере зависят от способа отбора пробы и соблюдения требований к характеристикам газа, поступающего в приемник газоанализатора. Эти требования относятся к температуре, давлению, расходу, влажности газа, наличию в нем механических, агрессивных и других примесей. Поэтому газоанализаторы в отличие от средств измерения температуры, давления представляют собой установку, содержащую кроме измерительного преобразователя (приемника) ряд устройств, обеспечивающих отбор, подготовку и транспортирование пробы газа через прибор.
Эффективность применения того или иного средства измерения зависит от согласованности его характеристик с характеристиками остальных элементов систем управления и контроля. Структура автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) зависит от вида предприятия, разновидности технологического объекта и используемых средств контроля и автоматизации. Количественный рост контролируемых и регулируемых величин обусловил качественное изменение структуры АСУ ТП, выразившееся в использовании информационных и управляющих вычислительных машин, функционально-группового управления. Так АСУ ТП энергоблоков представляет собой комплекс, в структуру которого входят следующие подсистемы: информационно-измерительная, технологической сигнализации, дистанционного и автоматического управления, автоматического регулирования и технологических защит.
Контрольные вопросы к части «Метрология»
1. Каково место метрологии среди других наук?
2. В чем заключается значимость метрологии?
3. Дайте определение физической величины. Приведите примеры величин, принадлежащих к различным группам физических процессов.
4. По каким признакам классифицируют физические величины?
5. Дайте определение системы физических величин и системы единиц физических величин. Приведите примеры основных и производных физических величин и единиц.
6. В чем заключается единство измерений?
7. Что называется измерением? По каким признакам классифицируются измерения?
8. Что называется методом измерения? По каким признакам классифицируются методы измерений?
9. Что такое средство измерений? Каким образом классифицируются средства измерений?
10. Какие типы измерительных преобразователей вы знаете?
11. Какими причинами объясняется возникновение погрешности?
12. Всегда ли погрешности задаются в единицах измеряемых величин?
13. Назовите признаки, по которым классифицируются погрешности.
14. Что такое систематическая погрешность? Каким образом классифицируются систематические погрешности?
15. Назовите способы выявления систематических погрешностей.
16. Как воздействуют на процесс измерений влияющие величины?
17. В чем различие между систематической и случайной погрешностями и почему этому различию надо уделять особое внимание?
18. Какие результаты и выводы следуют из применения статистических методов для расчета погрешностей?
19. Что такое нормальное распределение и почему оно играет особую роль в метрологии?
20. Что такое доверительный интервал? Какие способы его задания вам известны?
21. На какие группы делятся нормируемые метрологические характеристики?
22. Какие метрологические характеристики относятся к характеристикам, предназначенным для определения результатов измерений?
23. Какая метрологическая характеристика отражает связь между входной измеряемой величиной и выходной величиной средства измерений?
24. Какие метрологические характеристики описывают погрешности средств измерений? Каким образом производится их нормирование?
25. Какие метрологические характеристики описывают чувствительность СИ к влияющим величинам?
26. Что такое классы точности средств измерений?
27. Какие различные способы выражения класса точности существуют?
28. Назовите основные принципы государственных испытаний средств измерений.
29. Что такое поверка средств измерений, и какими способами она может производиться?
30. Назовите основные виды поверок средств измерений.
31. Что такое Международная практическая температурная шкала?
32. Почему при измерении температур термоэлектрическим преобразователем температура свободного спая должна быть постоянной?
33. Как производится автоматическое введение поправки на температуру свободного спая?
34. Какие требования предъявляются к материалам для изготовления термопреобразователей сопротивления?
35. В чем заключается компенсационный метод измерения термо-ЭДС?
36. Как в автоматическом потенциометре автоматически вводится поправка на температуру свободных спаев?
37. От каких факторов зависит точность измерения температуры пирометрами излучения?
38. Как и для чего осуществляется монохроматизация светового потока в квазимонохроматических пирометрах?
39. Какая разница между истинной температурой тела и показаниями квазимонохроматического пирометра?
40. Соответствуют ли показания пирометра спектрального отношения истинной температуре тела?
41. Какие виды чувствительных элементов применяются в деформационных манометрах? Как действует трубчатая пружина?
42. В чем заключается принцип действия дифференциально-трансформаторного преобразователя?
43. Каков принцип действия деформационных манометров с электросиловыми преобразователями?
44. Как устроены деформационные манометры с тензопреобразователями?
45. Каков принцип действия расходомеров переменного перепада давления?
46. Почему при измерении расхода ротаметрами перепад давления остается постоянным?
47. На чем основан принцип действия электромагнитного расходомера?
48. В чем заключается принцип действия ультразвуковых расходомеров?
49. Каковы особенности измерения уровня в барабане котла гидростатическими уровнемерами?
50. Какие электрические уровнемеры вам известны? Каков их принцип действия?
51. На чем основан принцип действия термокондуктометрических газоанализаторов?
52. Почему при высоких температурах анализ газов по теплопроводности затруднителен?
53. Как и почему изменяются показания термокондуктометрического газоанализатора на СО2 при попадании в измерительные камеры водорода, сернистого газа?
54. Чем определяется выбор места отбора проб газа и каково назначение элементов газовой схемы?
55. На чем основан принцип действия термомагнитных газоанализаторов?
56. Каковы причины возникновения термомагнитной конвекции?
57. В чем заключается принцип действия оптико-акустических газоанализаторов?
58. На чем основан принцип действия хроматографических газоанализаторов?
59. Какие факторы оказывают влияние на результаты анализа хроматографическими газоанализаторами?
60. Как в хроматографических газоанализаторах происходит идентификация компонентов газовой смеси?
Тесты к части «Метрология»
1. К достоинствам стеклянных жидкостных термометров относятся:
· высокая точность измерения; простота; хорошая видимость шкалы;
· высокая точность измерения; простота; возможность дистанционной передачи результатов измерения;
· высокая точность измерения; простота; дешевизна;
· простота; дешевизна; возможность дистанционной передачи результатов измерения.
2. Какой метод измерения положен в основу действия милливольтметра:
· нулевой;
· компенсационный;
· непосредственной оценки;
· дифференциальный?
3. Можно ли при использовании U-образного манометра делать отсчет отклонения уровня от исходного только в одной трубке с последующим удвоением:
· можно;
· можно, при условии строгой вертикальной установки прибора;
· можно, если в качестве рабочей жидкости использовать ртуть;
· нельзя?
4. Как определяется момент наступления равновесия мостовой схемы
· по показанию милливольтметра;
· по положению стрелки прибора у красной контрольной отметки;
· по отсутствию тока в нулевом гальванометре.
5. Какие измерительные приборы не применяют для измерения сопротивления термометров сопротивления:
· потенциометры;
· логометры;
· уравновешенные мосты;
· пирометрические милливольтметры?
6. Влияет ли небольшое изменение напряжения питания логометра на его показания:
· влияет;
· не оказывает влияния;
· влияет, если в качестве источника тока используется сухой элемент;
· нет правильного ответа?
7. На чем основан компенсационный метод измерения термоЭДС:
· на уравновешивании измеряемой ЭДС известным падением напряжения;
· на уравновешивании измеряемой ЭДС известным значением ЭДС нормального элемента;
· на непосредственном измерении ЭДС нулевым гальванометром;
· на взаимодействии тока, протекающего по рамке прибора с магнитным полем постоянного магнита?
8. Какой метод измерения положен в основу работы потенциометра:
· дифференциальный;
· непосредственного измерения;
· нулевой?
9. В каких случаях может возникнуть в термоэлектрическом термометре термоЭДС:
· при двух одинаковых (однородных) термоэлектродах и различных температурах рабочего и свободных концов;
· при двух разнородных термоэлектродах и одинаковых температурах рабочего и свободных концов;
· при двух разнородных термоэлектродах и различных температурах рабочего и свободных концов?
10. Каково назначение удлиняющих термоэлектродных проводов:
· для удаления свободных концов термометра в область более низких температур;
· для компенсации температурной погрешности;
· для удешевления установки;
· для подключения измерительного прибора в цепь термоэлектрического термометра?